石化設(shè)備高壓水射流清洗應(yīng)用探討

伍常青

（安慶石化華成實(shí)業(yè)公司，安徽 安慶 246001）

設(shè)備除垢按原理分為化學(xué)方法和物理方法兩種。顧名思義，化學(xué)方法即是利用化學(xué)藥劑浸泡、沖洗結(jié)垢，使二者接觸發(fā)生反應(yīng)，最終除去結(jié)垢。這種方法需要妥善處理化學(xué)藥劑的排放問(wèn)題，以免造成污染。相較而言，利用水射流方法就要環(huán)保許多。水射流除垢主要依靠清潔水高速流動(dòng)產(chǎn)生的打擊力，沖擊、破碎結(jié)垢從而將其除去。而打擊力的大小與流量、壓力等有密切的聯(lián)系，需要我們根據(jù)不同的工況妥善選擇工作參數(shù)，以保證除垢、清洗作業(yè)高效進(jìn)行。

1 高壓水射流的技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

“高壓水射流”是指通過(guò)高壓水發(fā)生裝置將水加壓，再通過(guò)具有細(xì)小孔徑的噴射裝置轉(zhuǎn)換為高速的微細(xì)“水射流”。這種“水射流”具有巨大的打擊能量。利用這種高度聚能的水射流用來(lái)完成各種清洗作業(yè)的技術(shù)稱(chēng)為“高壓水射流清洗技術(shù)”。

水射流的主要技術(shù)參數(shù)有：壓力、流量及功率，三者之間的關(guān)系如下：

p=16.67pq

式中，P 為射流功率，W；p 為射流壓力，MPa；q 為射流流量，L/min。

式（1）表明，射流的有效功率與射流壓力和流量的乘積成線性關(guān)系，壓力和流量是影響作業(yè)的主要參數(shù)。對(duì)于某一特定作業(yè)目標(biāo)，壓力關(guān)系到能否完成作業(yè)目標(biāo)，即只有達(dá)到了某一特定壓力值才能將結(jié)垢或雜質(zhì)從設(shè)備上除去，這一壓力值又稱(chēng)為門(mén)限壓力。壓力決定能否完成作業(yè)，而流量則決定作業(yè)的效率高低。在到達(dá)門(mén)限壓力后，流量越大，作業(yè)效率越高。壓力和流量這兩個(gè)參數(shù)同時(shí)影響水射流的工程作業(yè)，但彼此不可代償。即達(dá)到門(mén)限壓力后，不增大流量，只提高壓力值非但不能更快地完成作業(yè)，還有可能損壞設(shè)備；而達(dá)不到門(mén)限壓力，只增大流量，也無(wú)法將結(jié)垢或雜質(zhì)去除，更遑論完成作業(yè)了。

談到水射流，就不能不提噴嘴。噴嘴是形成高壓水射流的最重要部件之一，因此，噴嘴的選型計(jì)算是一項(xiàng)重要而關(guān)鍵的工作。噴嘴的計(jì)算公式如下：

式中，d 為噴嘴孔出口截面直徑（簡(jiǎn)稱(chēng)噴嘴直徑），mm；q 為射流體積流量，L/min；μ 為噴嘴流量系數(shù)；p 為射流壓力，MPa；對(duì)于嵌入式噴嘴，噴嘴流量系數(shù)一般取0.85。

上式是單個(gè)噴嘴的計(jì)算，若使用多個(gè)噴嘴。則應(yīng)計(jì)算噴嘴當(dāng)量直徑，當(dāng)量直徑與各個(gè)單獨(dú)噴嘴直徑的關(guān)系如下：

式中，de為噴嘴當(dāng)量直徑，mm；dn為噴嘴孔出口截面直徑（簡(jiǎn)稱(chēng)單個(gè)噴嘴直徑），mm。

多噴嘴情況下單獨(dú)噴嘴的直徑即可通過(guò)公式（2）和公式（3）計(jì)算得出。值得注意的是，單獨(dú)噴嘴直徑也可以不相同。

如同子彈出膛的后坐力，水射流也有相應(yīng)的反沖力。有時(shí)，過(guò)大的反沖力還會(huì)造成人員傷亡。因此，必須事先計(jì)算出射流反沖力，以合理地安排夾持方法。射流反沖力計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn) 為射流反沖力，N；q 為射流流量，L/min；p為射流壓力，MPa。

從式（4）中可知，流量的變化對(duì)射流反沖力的影響較壓力更大。

2 高壓水射流清洗設(shè)備的選型與應(yīng)用

高壓水射流清洗設(shè)備主要包括四部分：高壓水發(fā)生設(shè)備、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助系統(tǒng)。高壓水發(fā)生設(shè)備主要有高壓泵機(jī)組和增壓器兩種形式，由于增壓器相對(duì)笨重，因此，對(duì)于清洗設(shè)備而言，采用高壓泵機(jī)組的居多。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)形式的不同一般可分為柴油機(jī)高壓泵機(jī)組（圖1）和電動(dòng)機(jī)高壓泵機(jī)組（圖2）。控制系統(tǒng)則包括安裝在高壓泵機(jī)組上的安全閥、調(diào)壓閥、控制閥及控制柜等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要指噴槍?zhuān)▓D3）和不同形式的各種噴頭（圖4 ～7），這一部分也稱(chēng)為水射流附件。輔助系統(tǒng)包括壓力表、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)等。

高壓水射流清洗設(shè)備的選型工作主要有兩個(gè)：一是匹配參數(shù)合適的高壓水發(fā)生裝備，二是選擇型式合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

高壓泵的選型要注意參數(shù)匹配，首先應(yīng)確定清洗目標(biāo)，明確作業(yè)任務(wù)。依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)確定作業(yè)所需要的壓力、流量，在實(shí)際操作中依據(jù)流出的污垢量，參照表1 逐步調(diào)整直至最佳工況。

面對(duì)不同的清洗任務(wù)，應(yīng)采用不同的清洗噴頭以達(dá)到高效作業(yè)的目的。市場(chǎng)上有型式各樣、用途各異的清洗噴頭，可根據(jù)需要選用。直徑小于25mm 的換熱器管束清洗采用固定形式的多孔噴頭足以勝任；25 ～100mm 較大直徑管道的清洗則需要旋轉(zhuǎn)清洗，此時(shí)采用依靠水射流反沖力推動(dòng)的自旋轉(zhuǎn)噴頭即可；若管束或管道的堵塞情況嚴(yán)重，則應(yīng)使用由氣動(dòng)馬達(dá)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)噴頭；清洗化工容器、反應(yīng)釜等則多采用三維旋轉(zhuǎn)噴頭，簡(jiǎn)單且高效。表2 和表3 給出了針對(duì)典型化工設(shè)備清洗的高壓水射流清洗參考選擇。

表1 高壓泵機(jī)組選型表

圖1

圖2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵機(jī)組

圖3 清洗噴槍

圖4 固定式多孔清洗噴頭 圖5

圖6 強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭

圖7 三維旋轉(zhuǎn)噴頭

3 高壓水射流清洗的安全作業(yè)

高壓水射流能量集聚度高，在工作狀態(tài)下，設(shè)備整個(gè)管路上所有的設(shè)備、閥、管道等均處在高壓狀態(tài)，一旦設(shè)備失效，會(huì)對(duì)周?chē)娜嘶蚱渌O(shè)備造成損傷損壞，危害性巨大。因此，在使用高壓水射流清洗設(shè)備時(shí)，要在設(shè)備正常完好的前提下保證安全操作，以到達(dá)安全作業(yè)的目標(biāo)。筆者通過(guò)多年水射流工程應(yīng)用，總結(jié)了以下安全作業(yè)要點(diǎn)：

（1）水射流破壞力巨大，足以造成人體任何部位的傷害。從被水射流沖擊傷害的人身上不易確定傷害的準(zhǔn)確情況，因此，發(fā)生事故后，應(yīng)立即將受傷者送往醫(yī)院并告知醫(yī)生受傷的原因，特別應(yīng)注意說(shuō)明水射流的穿透破壞能力，以便傷者可以得到及時(shí)救治。

（2）操作者上崗前必須培訓(xùn)合格，作業(yè)時(shí)必須佩戴符合作業(yè)安全規(guī)范的勞保防護(hù)用品。

（3）作用于噴槍(頭)操作者身上的反沖力不得超過(guò)其體重的1/3。

（4）承壓工況下不得緊固高壓水系統(tǒng)任何部位的螺紋連接件，設(shè)備檢修必須在泄壓之后進(jìn)行。軟管接頭都應(yīng)使用柔性扣保護(hù)。

（5）借助其向后射流自進(jìn)的噴頭在管道內(nèi)清洗作業(yè)時(shí)，須在噴頭與連接軟管之間設(shè)置一段足夠長(zhǎng)度的剛性管道，以免噴頭在管道內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)傷人。

表2 列管式換熱器管層設(shè)備

表3 容器類(lèi)設(shè)備

4 結(jié)語(yǔ)

（1）高壓水射流清洗不增加新的污染物，比化學(xué)清洗更環(huán)保、高效。

（2）高壓水射流清洗比化學(xué)清洗更利于操作者的職業(yè)防護(hù)。